超磁致伸縮器的熱補(bǔ)償研究

李小鵬，榮 凱，杜 旭，田 庫，萬禮超，張成明，李立毅

（1．天津工程師范學(xué)院自動化與電氣工程學(xué)院，天津300222；2.艾普斯電源（天津）有限公司，天津300385；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系，哈爾濱 150001）

超磁致伸縮器的熱補(bǔ)償研究

李小鵬1，榮 凱1，杜 旭2，田 庫1，萬禮超1，張成明3，李立毅3

（1．天津工程師范學(xué)院自動化與電氣工程學(xué)院，天津300222；2.艾普斯電源（天津）有限公司，天津300385；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系，哈爾濱 150001）

超磁致伸縮材料的熱效應(yīng)嚴(yán)重影響其控制精度。文章分析了超磁致伸縮器系統(tǒng)的熱源，采用試驗(yàn)的方法確定了一定條件下的熱應(yīng)變和磁應(yīng)變；設(shè)計(jì)了適合超磁致伸縮器的冷卻子系統(tǒng)；基于熱應(yīng)變和磁應(yīng)變試驗(yàn)曲線提出了軟件向上補(bǔ)償方法。

超磁致伸縮器；熱應(yīng)變；冷卻子系統(tǒng)

超磁致伸縮材料（giant magnetostrictive material，GMM）是近30年來迅速發(fā)展起來的新型功能材料，同時具有感知、信息處理和執(zhí)行的功能。由于超磁致伸縮材料的作動器（actuator based on giant magnetostrictive material，GMA）具有響應(yīng)速度快以及輸出力大等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于隔振、精密控制以及閥門控制等領(lǐng)域。超磁致伸縮作動器的絕對應(yīng)變較小，熱應(yīng)變與其輸出應(yīng)變相比不能忽略，因此研究熱應(yīng)變以及補(bǔ)償方式具有重要意義[1-3]。

1 超磁致伸縮器的熱源

GMA結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。當(dāng)線圈（偏置線圈和激勵線圈）通電產(chǎn)生磁場，磁致伸縮棒在磁場的作用下發(fā)生應(yīng)變[1-3]。

從GMA工作過程可知，該系統(tǒng)的熱源有3個：

（1）焦?fàn)枱?磁致伸縮器依靠激勵線圈和偏置線圈產(chǎn)生磁場工作，激勵線圈和偏置線圈在工作時不可避免地要產(chǎn)生焦?fàn)枱幔?/p>

式中：Wr為總的焦耳熱；Wdc為偏置線圈產(chǎn)生的焦耳熱；Wac為驅(qū)動線圈產(chǎn)生的焦耳熱。

（2）鐵損耗 交流磁路中存在鐵芯損耗，鐵芯損耗又分為磁損耗和渦流損耗，這里主要考慮渦流損耗。GMM是導(dǎo)體，當(dāng)磁通交變時，GMM中就會感應(yīng)交變的電勢，在導(dǎo)電的鐵芯中就會產(chǎn)生環(huán)流，這種電流在鐵芯構(gòu)成的回路與磁通相環(huán)鏈，即渦流，渦流產(chǎn)生的損耗稱為渦流損耗。渦流損耗功率可用下式表示：

式中：kw為與材料有關(guān)的比例系數(shù)；f為磁通交變頻率；Bm為磁通密度的最大值。

（3）摩擦損耗 磁致伸縮棒在運(yùn)動過程中與骨架內(nèi)壁發(fā)生摩擦而產(chǎn)生熱量，這部分所占比例較小。

直動型超磁致伸縮作動器的激勵與其軸向平行的激勵磁場，所以只考慮軸向磁致伸縮本構(gòu)方程，因此建模時可忽略橫向激勵、橫向應(yīng)力和剪切應(yīng)力等的影響，準(zhǔn)靜態(tài)條件下，頻率較低且運(yùn)動速度較慢，所以忽略機(jī)械阻尼和渦流損耗，但長時間通電時存在熱積累過程，熱應(yīng)變不能忽略，它與磁應(yīng)變有可比性，則超磁致伸縮棒軸向的磁致伸縮本構(gòu)方程為：

式中：B為磁致伸縮棒內(nèi)的磁通感應(yīng)強(qiáng)度；d33磁致伸縮棒軸向壓磁系數(shù)；σ為軸向應(yīng)變方向的壓應(yīng)力；μσ為σ常量時的相對磁導(dǎo)率；H為磁致伸縮棒內(nèi)的磁場強(qiáng)度；S為軸向磁致應(yīng)變?yōu)镠為常量時的楊氏模量；α33超磁致伸縮材料的軸向溫度系數(shù)；ΔT為溫升。

試驗(yàn)采用磁致伸縮棒。線圈中通電電流為2.5 A時，線圈中部溫升如圖2所示。圖3是所對應(yīng)溫度下的熱應(yīng)變。圖4是不同通電電流對應(yīng)的磁應(yīng)變，比較圖3和圖4可知熱應(yīng)變是不可以忽略。因此，必須采取一些措施來減小整個系統(tǒng)的損耗，但工作過程中發(fā)熱還是不可避免的，還要采取冷卻和補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ蕴岣呦到y(tǒng)的精度。

2 超磁致伸縮器的冷卻子系統(tǒng)

GMA的冷卻子系統(tǒng)的原理是在超磁致伸縮棒與線圈之間增加一個空腔，空腔上部設(shè)置一個進(jìn)水口，下部設(shè)置一個出水口，進(jìn)水口和出水口與外部水路相連，利用水的高比熱特性帶走系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。外部冷卻子系統(tǒng)如圖5所示。系統(tǒng)包括水箱、水泵、進(jìn)水口、出水口、泵驅(qū)動電路、單片機(jī)以及其它外圍電路組成。磁致伸縮作動器內(nèi)部埋設(shè)的鉑電阻傳感器監(jiān)測線圈的溫度，該信號通過單片機(jī)A/D采樣接口讀取，單片機(jī)根據(jù)溫度的大小利用驅(qū)動電路控制水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制水流速度和線圈溫度的目的。更精確的控制系統(tǒng)則需要保證水箱內(nèi)的水恒溫，這時應(yīng)增加冷水注入系統(tǒng)。

3 超磁致伸縮器的熱補(bǔ)償

即使使用超磁致伸縮器的冷卻子系統(tǒng)，超磁致伸縮棒的溫度仍然可能有所變化，通常需要采取一些熱補(bǔ)償措施，如熱膨脹抵消法、柔性支撐結(jié)構(gòu)補(bǔ)償法、相變溫控法以及組合熱補(bǔ)償法等，這些補(bǔ)償方法對材料特性要求很高[4，5]。因此本文提出一種基于軟件的向上補(bǔ)償方法，它的基本原理是采用試驗(yàn)的方法測取不同溫度下的磁致伸縮棒的熱應(yīng)變和不同電流下的磁應(yīng)變，然后制作表嵌入單片機(jī)軟件，根據(jù)單片機(jī)測取溫度即可查處對應(yīng)的熱應(yīng)變（圖3），計(jì)算出目標(biāo)應(yīng)變減去此時的熱應(yīng)變?yōu)閷?yīng)的磁應(yīng)變，最后按照此應(yīng)變，查表計(jì)算出所需的線圈電流（圖4），單片機(jī)控制線圈驅(qū)動電路調(diào)節(jié)其內(nèi)部的電流，軟件子程序框圖如圖6所示。

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)了超磁致伸縮作動器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括連接桿、入水口、偏置線圈和激勵線圈、線圈骨架、頂桿、擰緊套、碟璜、外殼超磁致伸縮棒、出水口、底座以及絕緣層組成。入水口與冷卻子系統(tǒng)的出水口相連，出水口與回水口相連，線圈內(nèi)部預(yù)先埋置監(jiān)測溫度的鉑電阻。由于本文設(shè)計(jì)的GMA工作在低頻狀態(tài)，所以磁致伸縮棒與線圈骨架之間增加一層絕緣層，防止線圈發(fā)熱影響GMM特性。如工作在高頻狀態(tài)則應(yīng)當(dāng)去掉絕緣層并且骨架采用金屬，這種結(jié)構(gòu)有利于磁致伸縮棒的溫度散熱。

4 結(jié)論

超磁致伸縮作動器的熱源包括線圈歐姆損失、鐵損以及摩擦損耗，這些損耗的熱積累效應(yīng)嚴(yán)重影響控制精度。實(shí)驗(yàn)測得了熱應(yīng)變和磁應(yīng)變曲線，根據(jù)曲線實(shí)現(xiàn)軟件補(bǔ)償?shù)姆椒?，結(jié)合軟件補(bǔ)償和水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的超磁致伸縮器更為合理。

[1]李擴(kuò)社，徐靜.稀土超磁致伸縮材料發(fā)展概況[J].稀土，2004（4）：51-52.

[2]鄔義杰.超磁致伸縮材料的發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀研究 [J].機(jī)電工程，2004（4）：55-56.

[3]賈振元，楊興，武丹，等.超磁致伸縮執(zhí)行器及其在流體控制元件中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2000（2）：3-4.

[4]盧全國，陳定方，鐘毓寧.超磁致伸縮致動器熱變形影響及溫控研究[J].中國機(jī)械工程，2007（1）：16-17.

[5]李國平，魏燕定，陳子辰.超磁致伸縮驅(qū)動器熱輸出的抑制與補(bǔ)償方法[J].設(shè)計(jì)與研究，2003（11）：23-25.

Study on thermal compensation of giant magnetostrictive device

LI Xiao-peng1，RONG Kai1，DU Xu2，TIAN Ku1，WAN Li-chao1，ZHANG Cheng-ming3，LI Li-yi3
（1.School of Automation Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.AC Powerc（Tianjin）COBP，Tianjin 300385，China；3.Department of Electrical Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

The thermal effect of giant magnetostrictive material seriously affects its control precision.Firstly，the heat of system of giant magnetostrictive device is analyzed and test method is used to determine the thermal and magnetic strain under certain conditions；secondly，the cooling subsystem that is suitable for giant magnetostrictive device is designed；finally，based on test curve of thermal and magnetic strain,an up compensation method with software is proposed.

giant magnetostrictive；thermal strain；cooling subsystem

book=2,ebook=81

TH132

A

1673－1018（2010）02－0013－03

2010-03-18

教育部科技研究重點(diǎn)項(xiàng)目（208007）.

李小鵬（1975—），男，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)、電機(jī)控制以及電磁發(fā)射.